К проблемам сейсмической защиты зданий

К проблемам сейсмической защиты зданий
Действующий динамический метод оценки сейсмостойкости зданий в особом сочетании нагрузок
выполняется с учётом форм колебаний несущих конструкций, исходя из их упругого характера
деформирования и вероятности совмещения форм во время землетрясения. Одновременно допускаются
множество поправочных коэффициентов, в том числе, учитывающих вероятность сочетания этих форм и,
в то же время, коэффициентов, косвенно отражающих нелинейные процессы в результате накопления
локальных повреждений. Все эти коэффициенты не могут иметь точного подтверждения и принимаются
на основании инженерной интуиции или опыта и, по-видимому, будут всегда оставаться предметом
споров и обсуждений специалистов.
При использовании сейсмоизолирующих опор КФ коэффициенты, учитывающие нелинейные
деформации, в какой-то мере могли бы быть оправданы кинематикой самих опор. В расчётных моделях
они заменяются стойками с упруго-нелинейной характеристикой перемещений, полученной из
статических испытаний реальных зданий. Эффект снижения нагрузок затем оценивался расчётом зданий
различной жёсткости в сопоставлении с их аналогами на опорах КФ. При этом сейсмические воздействия
задавались множеством (около 1000) реальных и искусственных акселерограмм. Результаты такого
сопоставительного расчёта сведены в таблицу 2 [1] и в нормативных расчётах используются для снижения
коэффициента динамичности β (Т).
Предложенная в [1] методика учёта сейсмоизоляции при проектировании зданий имела целью
привязать её к действующим СНиП. Она позволяла получать достаточно высокий эффект снижения
сейсмических нагрузок и с её использованием построено много зданий в различных сейсмоопасных
районах России и Казахстана. Однако, реальный эффект сейсмоизоляции имеет отличную от упругих
систем физическую природу и нуждается в иной методике учёта. Среди известных решений этого типа
КФ прошли наибольшую по объёму и длительности апробацию в условиях больших динамических
нагрузок, включая реальные землетрясения, что позволяет на их основе делать обобщающие выводы по
эффективности опор такого типа. Общим для них является способность ограничивать интенсивность
сейсмической нагрузки, передаваемой с основания на здание, главным образом, величиной сил трения.
Если представить здание как жёсткий объект, стоящий на шарах, то сейсмическая нагрузка S(t ) на
объект при горизонтальных перемещениях основания не может превышать силы трения качения шаров,
представленные силовой характеристикой R(Δ) при смещении Δ. Величина этих сил постоянна и равна
R(Δ) = S(t) = (m1 + m2) / Н
(1)
.
где: m1, m2 – моменты от трения вверху и внизу шара при качении;
.
Н =2R − диаметр шара.
. По-видимому, это утверждение не требует доказательств.
Учитывая ограниченную величину смещений при землетрясениях, шары могут быть заменены своей
нижней половиной, но шарнирно связанной с объектом. В этом случае, Н = R, а m1 – момент в
техническом шарнире, обладающий некоторой способностью возвращать опору в исходное положение.
Однако, при больших смещениях объекта относительно основания возвращающая способность m1
оказывается недостаточной. В этом случае возврат может достигаться за счёт геометрических параметров
шарового сегмента, если принять Н< R. В этом случае, согласно рис.1, добавляется момент в результате
смещения точки опоры. Силовая характеристика и, следовательно, сейсмическая нагрузка на объект, при
этом, будут несколько возрастать по мере смещения Δ. В [2] эта зависимость представлена выражением:
R(Δ) = S(t) = Р∙[(R−H) / Н²]∙Δ + P∙(m1 + m2) / Н
где: Р –вертикальная нагрузка.
(2)
Если боковые поверхности сегмента выполнять произвольного очертания, но симметричными
относительно вертикальной оси (например, в виде тумбы, или стойки с уширенной пятой), то получим
опору, названную когда-то КФ, рис.2.
Из (2) следует вывод, что сейсмическая нагрузка на объект не зависит от ускорений на грунтовом
основании, а лишь от его смещений Δ. При этом, величина сейсмической нагрузки регулируется
параметрами R, Н, и в какой-то мере зависит от конструктивного исполнения технического шарнира и
твёрдости материала опоры. В случае идеальных параметров опоры сейсмическая нагрузка на объект не
будет передаваться при как угодно большом ускорении горизонтальных смещений основания.
Под идеальными параметрами здесь подразумевается:
− равенство R = Н;
− идеальный шарнир, т.е. m1=0;
− общие размеры опоры, обеспечивающие прочность при ожидаемом перекатывании и высокая
твёрдость материала в местах контакта с опорной плитой, т.е. m2 = 0.
Идеализацию всех параметров, по-видимому, полезной считать нельзя, поскольку здание становится в
какой-то мере подвижным и может испытывать колебания даже при ветровой нагрузке.
Заметим, что зависимость (2) исходит из достаточно большой жёсткости объекта в сравнении с силовой
характеристикой R(Δ). Поэтому данная сейсмозащита рассчитана на здания жёсткого типа, с периодом
свободных колебаний не превышающим ≈0, 7 − 0,8 сек. К ним мы относим малоэтажные частные дома и
дома массовой застройки, до 9-12 этажей, не более.
Обратимся снова к силовой характеристике (2). Её первая часть отражает зависимость нагрузки от
геометрических параметров, то есть абсолютной величины R, Н и их соотношения H≤R. Изменяя эти
параметры в соответствии конструктивным решением здания, можно варьировать величиной
сейсмической нагрузки в широком диапазоне. Но уже без расчёта можно отметить большое влияние на
снижение нагрузки оказывает увеличение параметра Н. Следовательно, КФ стоечного типа,
рассчитанные на этаж будут значительно эффективней КФ-тумб, устанавливаемых на опорном
основании. В последних эффект может достигаться только сближением Н c R по величине.
В меньшей степени эффект сейсмоизоляции достигается за счёт шарнирного соединения и твёрдости
материала опоры, представленной второй частью формулы. Наиболее простое исполнение технического
шарнира представляется в виде плоской стальной плитки, рис.3, обеспечивающей зазор между опорой и
надопорной конструкцией в виде оголовника, а также соединительного стержня в центре из мягкой стали.
При таком решении шарнира следует ожидать смещение l вертикальной силы относительно центральной
оси при повороте, что приводит к увеличению момента m1. Поэтому выбор конструктивного исполнения
шарнира представляет одну из задач конструктора при выборе оптимального решения. С целью
уменьшения l, поверхность плитки может быть несколько закруглена, рис.3.
Представляя сейсмическую силу, действующую на объект произведением массы ”m” на ускорение “a”,
после несложных преобразований (2), получим значения ускорений при соответствующих смещениях Δ:
a= g[(R−H)/H²]∙Δ + (l + f)/H
где l –смещение вертикальной силы в техническом шарнире;
f –коэффициент трения качения опоры по опорной плите.
(3)
В качестве примера, приводим результаты расчёта опоры при Н=2,5м и R =5м (стойка с уширенной
пятой):
Δ =0,2м
Δ = 0,1м
Δ = 0,05м
Δ=0,03м
а= 0,8 м/сек²
а = 0,45м/cек²
а=0,2м/сек²
а = 0,13м/сек²
.
Согласно этим результатам, ускорения U, передаваемые на здания с основания, не могут превышать
значения “а”, при соответствующих смещениях Δ. Иными словами, какими бы большими ускорения U ни
были на отрезках смещений Δ, они не могут превысить значения “а”, ограниченные параметрами КФ. В
этом случае , здания рассчитываются на силы, равные произведению масс, сосредоточенные в различных
местах здания на ускорения “а”<U. Наиболее простой расчётной моделью может быть консоль с
поэтажными массами.
Приведенные результаты меняют представления об оценках сейсмостойкости сейсмоизолируемых
зданий на опорах любого конструктивного исполнения, где используется принцип скольжения, либо
качения. Для расчёта таких зданий требуется даже не расчётная сейсмичность застраиваемой площадки, а
величина планируемой интенсивности, которая регулируется параметрами самих опор.
При некоторой парадоксальности нашего вывода, метод, возможно, будет воспринят не всеми
специалистами в области проектирования сейсмостойких зданий. Однако, ещё большая
парадоксальность заложена и в нормативной оценке сейсмостойкости зданий при допущении их
повреждений, при которых существенно изменяются динамические параметры и распределение усилий
в несущих конструкциях. Ведь главное, согласно нормативным правилам, избежать обрушения и
связанные с ними гибель людей. Вряд ли такие здания могут подпадать под определение сейсмостойких.
В этом смысле, сейсмоизолируемые здания, не допускающие повреждения, больше соответствуют
такому определению. Тем не менее, приведенная методика предлагается пока как дополнение к [1], с
целью её дальнейшего совершенствования при проектировании сейсмоизолируемых зданий.
Литература:
1. Т.Ж. Жунусов академик МИК, д.т.н., Ю.Д. “Черепинский д.т.н., В.А. Лапин, к.т.н. Инструкция по проектированию
зданий с использованием сейсмоизолирующих фундаментов КФ. РДС РК-07-6-98, Комитет по делам строительства
РК.
2. Ю.Д. “Черепинский, д.т.н. Сейсмоизоляция жилых зданий. Казахстанская арх.-строительная академия. Ассоциация
”СЕЙСМОЗАЩИТА”, ISBN9965-576-14-9, 160 стр.,2003.
Рис.1. Кинематическая схема опоры КФ
Рис.2. Кинематика КФ-тумбы (а) и КФ-стойки (б) при
смещении основания.
.
.
Рис.3. Шарнирное соединение (технический шарнир): 1-плитка,
обеспечивающая зазор для поворота КФ; 2-связующий анкер;
3- закладные детали.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Ниже представлены некоторые авторские соображения по выбору проектных параметров КФ, основной
материал по которым изложен в вышеприведенных статьях.
а, которые передаются на массы здания при наличии
КФ. Произведение масс мi в составе здания на ускорения а соответствуют сейсмическим силам: Si = Ʃмi×а.
Во второй статье приводится формула (3) для ускорений
Эти силы нужны лишь для сравнительной оценки с силами, полученными без КФ по СНиП и с КФ по Инструкции. Не
а зависит, главным образом, от ∆ (смещения опоры, точнее, смещения основания относительно
здания) при принятых параметрах опоры: R, Н, m₁, m₂. Параметры не связаны с ускорениями на грунтовом
трудно заметить,
основании и позволяют регулировать максимально возможную сейсмическую нагрузку при ограниченном
∆
∆
смещении . Соответствие больших смещений
(30-40см) ускорениям высокой бальности, маловероятны (они
ведь не учитываются и при нормативных расчётах). Ускорениям при 9 и более баллов, соответствуют смещениям не
превышающих 2-3см, что подтверждалось при многих землетрясениях произошедших в мире. Подтверждением
тому могут быть испытания зданий мощными взрывами при возведении платины в Медео: при ускорении 5 м/сек²
Н = 2,5÷3м и R = 5÷6м
смещения в пределах 1-4см могут оказаться даже нечувствительными. Однако, и при больших ∆ (30-40см)
(т.е. более 9 б) смещения на грунтовом основании составили только 9мм. Поэтому при
ускорения согласно (3) могут соответствовать 7 баллам. При этом уширенную часть нужно принимать, примерно,
R Н
Н
R
110см. Однако, при сближении
с
(например, при тех же = 2,5÷3м принимать = 2, 7÷3,2м) сейсмическая
нагрузка не будет превышать 2-3 балла даже при смещении 30-40см. Фактически, такие опоры исключают
горизонтальные сейсмические воздействия.
Тем не менее, нормативный расчёт предлагается выполнять пока по Инструкции (т.е. в соответствии с действующими СНиП). В неё включены три
только пункта, отражающих новые подходы в оценках эффекта сейсмоизоляции, но они приводятся лишь для сравнения с нормативными. Это
сделано с целью, ускорить строительство домов с КФ-стойками с тем, чтобы как можно скорей подтвердить их высокую эффективность в
условиях землетрясений любой интенсивности.
∆
Что касается перерезывающей силы на КФ, то она появляется лишь при смещении
и зависит от поворота КФ, в
результате разложения вертикальной силы Р. Согласно прилагаемому рисунку, опора при незначительных
поворотах нагружена почти только силой Р. К этому, правда, следует добавить перерезывающие силы, равные
m m
Н
моментам
₁,
₂, делённым на высоту опоры . Для сравнения показана опора Ку(рзанова), которая имеет
лишь конструктивные отличия. Ку образуются из целого шара, а не из его половины, как КФ. И при одинаковом
∆ наклон Ку удваивается, так как качение Ку происходит внизу и вверху. В то время радиус опорной
поверхности R у них, примерно, в два раза меньше. Но кинематический эффект сейсмоизоляции идентичен КФ. К
смещении
неудобствам можно отнести смещения вверху, требующие такое же уширение, как внизу, что приводит и
увеличению вертикального подъёма опоры при смещении. Наоборот, наличие фиксированного шарнирного
соединения в КФ позволяет упростить конструкцию и улучшать динамические характеристики. Например, для
снижения
m₁ достаточно закладную деталь в надопорном элементе несколько закруглить.
Н и эффект сейсмоизоляции достигается, главным образом, за счёт
сближения R с Н. Рекомендуемые параметры для многоэтажных домов: R= 1,5м, Н= 1,3м, а для малоэтажных,
где нагрузки значительно меньше: R= 0,7м, Н= 0,6м. Прочность КФ-тумб многократно проверялась на прессах и в
КФ-тумбы имеют меньшую высоту
составе реальных зданий. Для случаев значительных (хотя и маловероятных) перемещений (20-30см)
рекомендуется усилят краевые области армированием.
КФ и опоры Ку(рзанова)